JP6439030B2 - 受光装置及び受発光装置 - Google Patents

Description

本発明は受光装置及び受発光装置に関する。

従来から、受光装置及び発光装置を用いた光学的物理量測定の技術の応用として、検出対象物までの距離を測定する測距センサや、大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス濃度測定装置が提案されてきた。

特に、ガス濃度測定装置としては、中赤外の赤外線領域において、ガスの吸収波長がガス種により異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度測定装置が知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ（透過部材）と赤外線センサを組み合わせ、赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するようにしたものが挙げられる（例えば、特許文献１）。

特開平９−３３４３１号公報

このような光学式の計測装置を構成する場合、必要な精度を保つために、環境温度や湿度の影響を可能な限り除去することが必要であり、従来からセラミックパッケージや缶パッケージといった、パッケージ技術が用いられてきた。一方、集積回路等で広く使われる樹脂モールドの技術は、大量・安価に製造できる優れた技術でありながら、樹脂材料と受光素子、発光素子との熱膨張差に起因する熱応力、湿度による樹脂の吸湿あるいは乾燥に起因する膨潤応力による影響により、発光素子の発光量、受光素子の出力信号の変動が起こる。このために、従来のモールド技術は、高精度の光源やセンサ、ガスセンサ等は実現できないという問題を有している。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度及び湿度による影響の補償された高精度の受光装置及び受発光装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様による受光装置は、外部から入射する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた出力信号を出力する受光素子と、前記受光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、前記受光素子の温度または前記モールド樹脂部の温度に関する温度情報を取得する温度情報取得部と、前記受光素子の電気的特性に関する情報と、前記温度情報とに基づいて、前記モールド樹脂部の湿度に関する情報を含む湿度情報を算出する湿度情報算出部と、前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて、前記モールド樹脂部の吸湿及び乾燥の少なくとも一方による前記出力信号の変動の影響を補償する補償部と、を備えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による受発光装置は、発光素子と、前記発光素子が出力する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた出力信号を出力する受光素子と、前記受光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、前記受光素子の温度、前記発光素子の温度及び前記モールド樹脂部の温度のうちの少なくとも１つに関する情報を含む温度情報を取得する温度情報取得部と、前記受光素子の電気的特性に関する情報と、前記温度情報とに基づいて、前記モールド樹脂部の湿度に関する情報を含む湿度情報を算出する湿度情報算出部と、前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて、前記モールド樹脂部の吸湿及び乾燥の少なくとも一方による前記出力信号の変動の影響を補償するように前記発光素子を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、温度及び湿度による影響の補償された高精度の受光装置及び受発光装置を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る受光装置を説明するための構成図である。 本発明の第２実施形態に係る発光装置を説明するための構成図である。 本発明の第３実施形態に係る受発光装置を説明するための構成図である。 本発明の実施形態の実施例に係る受発光装置を説明する図であって、受発光装置を炭酸ガス濃度測定装置に適用した場合の炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。 比較例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。なお、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜受光装置＞
本実施形態に係る受光装置は、外部から入射する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた出力信号を出力する受光素子と、受光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、温度情報を取得する温度情報取得部と、前記受光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報と、前記温度情報に基づいて湿度情報を算出する湿度情報算出部と、前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて前記出力信号を補償する補償部と、を備える。

本実施形態に係る受光装置によれば、温度及び湿度による、受光素子の出力信号の変動の影響を補償することが可能となり、従来と比べてより高精度に光学的な物理量の測定を実現することができる。一例として、非分散赤外吸収型ガス濃度測定装置に本実施形態に係る受光装置を用いることで、測定対象ガスによる赤外線の吸収量を高精度に測定できるため、ガス濃度の測定精度を向上させることが可能となる。ここで外部から入射する光とは、受光素子と空間的に離れた光源から入射する光を指す。

＜発光装置＞
本実施形態に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、温度情報取得部と、前記発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報と、前記温度情報と、に基づいて湿度情報を算出する湿度情報算出部と、前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて、前記発光素子を制御する制御部と、を備える。

本実施形態に係る発光装置によれば、温度及び湿度による、発光素子の発光量の変動の影響を補償することが可能となり、従来と比べてより高精度に光学的な物理量の測定を実現することができる。一例として、非分散赤外吸収型ガス濃度測定装置に本実施形態に係る発光装置を用いることで、測定対象ガスに対して高精度な発光量の赤外線を照射することができるため、ガス濃度の測定精度を向上させることが可能となる。

＜受発光装置＞
本実施形態に係る受発光装置は、発光素子と、前記発光素子が出力する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた出力信号を出力する受光素子と、前記発光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、温度情報を取得する温度情報取得部と、前記発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報と、前記温度情報と、に基づいて湿度情報を算出する湿度情報算出部と、前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて前記出力信号を補償する補償部と、を備える。

本実施形態に係る受発光装置によれば、温度及び湿度による、受光素子の出力信号及び発光素子の発光量の変動の影響を補償することが可能となり、従来と比べてより高精度に光学的な物理量の測定を実現することができる。一例として、非分散赤外吸収型ガス濃度測定装置に本実施形態に係る受発光装置を用いることで、測定対象ガスに対して高精度な発光量の赤外線を照射することができ、さらに、測定対象ガスによる赤外線の吸収量を高精度に測定できるため、ガス濃度の測定精度を向上させることが可能となる。また液体中の不純物による赤外吸収を利用することにより、液体中の不純物濃度を高精度に測定する測定装置を構成することも可能となる。
以下、本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置の各構成部について、例を挙げて説明する。

＜受光素子＞
本実施形態に係る受光装置及び受発光装置における受光素子は、使用用途に適する波長を含む光の帯域に感度を有していれば特に制限されない。特に、受光素子がガス濃度測定装置として用いられる場合には、被検出ガスによって吸収される波長を含む光の帯域に感度を有していれば特に制限されない。

受光素子には、焦電センサ（Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ）、サーモパイル（Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ：熱電堆）、ボロメータ（Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）等の熱型センサや、フォトダイオード、フォトトランジスタなど量子型センサ等が好適である。受光素子は、測定対象ガスに併せて所望の光学特性を有する光学フィルタをさらに備えていてもよい。例えば被検出ガスが炭酸ガスの場合、受光素子には炭酸ガスによる赤外線吸収が多く生じる波長帯（代表的には４．３μｍ付近）の赤外線を濾波できるバンドパスフィルタを搭載する形態が好ましい。

また、本発明の発明者らは、受光素子の少なくとも一部がモールド樹脂によって封止されていると、モールド樹脂部の吸湿及び乾燥の少なくとも一方による影響によって、受光素子に加わる応力が変化して、受光素子の出力が変動することを今回新たに発見した。発明者らは、この発見により、モールド樹脂部の湿度と相関のある情報（湿度情報）を測定することで、モールド樹脂部の吸湿による受光素子の出力信号の変動の影響を補償できることを明らかにした。

また、後述するように、発明者らは、温度情報並びに受光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報に基づいて、モールド樹脂部の湿度と相関のある情報（湿度情報）を算出できることを新たに見出した。これにより受光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を測定することで、モールド樹脂部の湿度と相関のある情報（湿度情報）が得られ、この取得された温度情報及び湿度情報を用いて受光素子の出力を補償することが可能となる。

また、本実施形態に係る受光装置及び受発光装置において、受光素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有していてもよく、又は抵抗体でもよい。これにより、特にＣＯ_２の濃度を測定するガス濃度測定装置において、ＣＯ_２の吸収波長帯である４．３μｍ付近の赤外線を高いＳ／Ｎ比で測定することが可能となる。また、本実施形態に係る受光装置及び受発光装置において、受光素子は、後述するように補助素子を備えてもよい。

＜発光素子＞
本実施形態に係る発光装置及び受発光装置における発光素子は、使用用途に適する波長を含む光を出力すれば特に制限されない。特に、発光素子は、ガス濃度測定装置として用いられる場合には、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力すれば特に制限されない。発光素子の具体的な例としては、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ヒーターや発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）が挙げられる。このような発光素子は、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するとよい。

発光波長帯を発光層のバンドギャップでコントロールできるという観点から、発光素子はＬＥＤ構造を有しているとよい。ＬＥＤ構造の光源を用いると、発光層に利用される材料のバンドギャップを被検出ガスの吸収波長に調整することにより、光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を使用せずに、特定のガスの検出が可能となり、光学フィルタ無しのガスセンサが実現できる。光学フィルタ無しのガスセンサが実現できると、ガス濃度測定装置の構造の簡略化を図ることができる。

また、本発明の発明者らは、発光素子の少なくとも一部がモールド樹脂に封止されていると、モールド樹脂部の吸湿及び乾燥の少なくとも一方による影響によって、発光素子に加わる応力が変化して、発光素子の発光量が変動することを今回新たに発見した。従って、モールド樹脂部の湿度と相関のある情報（湿度情報）を測定することで、モールド樹脂部の吸湿による発光素子の発光量の変動の影響を補償することが可能となる。

また、後述するように、発明者らは、温度情報並びに発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報に基づいて、モールド樹脂部の湿度と相関のある情報（湿度情報）を算出できることを新たに見出した。これにより発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を測定することで、モールド樹脂部の湿度と相関のある情報（湿度情報）が得られ、この取得された温度情報及び湿度情報を用いて発光素子の出力を制御することが可能となる。

また、本実施形態に係る発光装置、受発光装置において、発光素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有していてもよい。これにより、特にＣＯ_２の濃度を測定するガス濃度測定装置において、ＣＯ_２の吸収波長帯である４．３μｍ付近の赤外線の発光量を高めることが可能となる。
また、本実施形態に係る発光装置及び受発光装置において、発光素子は、後述するように補助素子を備えてもよい。

＜温度情報取得部＞
本実施形態に係る受光装置における温度情報取得部は、受光装置の温度情報を取得する。この場合、温度情報は、受光素子の温度またはモールド樹脂部の温度に関する情報を含んでいてもよい。またこの場合、温度情報は、受光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

本実施形態に係る発光装置における温度情報取得部は、発光装置の温度情報を取得する。この場合、温度情報は、発光素子の温度またはモールド樹脂部の温度に関する情報を含んでいてもよい。またこの場合、温度情報は、発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

本実施形態に係る受発光装置における温度情報取得部は、受発光装置の温度情報を取得する。この場合、温度情報は、受光素子の温度、発光素子の温度及びモールド樹脂部の温度のうちの少なくとも１つに関する情報を含んでいてもよい。またこの場合、温度情報は、受光素子及び発光素子の少なくとも一方の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。
本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置において、後述の、モールド樹脂部に少なくとも一部を封止された補助素子をさらに備える場合には、温度情報は、補助素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

特に測定環境の温度変化が速い場合や、受光素子及び発光素子と測定環境との平衡状態が保たれない場合には、受光素子や発光素子の温度に関する情報を温度情報として用いてもよい。

一方で、測定環境の温度変化が遅く、受光素子及び発光素子と測定環境との平衡状態が保たれる場合には、例えば受光素子や発光素子を実装する基板上に、別に設置された温度センサなどを用いることで、環境の温度を測定して、測定された温度を温度情報として使用することもできる。

この場合の温度情報を取得する手段としては、具体的にはサーミスタや白金（Ｐｔ）測温抵抗体、ダイオードなどの温度センサを利用することができる。

また温度情報取得部が取得する温度情報は、温度そのものに限定されず、温度により影響を受ける物理量である、受光素子や発光素子の電気的特性及び光学的特性により温度情報を算出してもよい。ここで、電気的特性とは、電流−電圧特性や、電流−電圧特性から取得される無バイアス付近での出力抵抗（内部抵抗）、順方向電圧降下などの発光素子及び受光素子の特性を特徴付ける物理量をいう。また、光学的特性とは、発光素子における発光量、受光素子における光電流（出力信号）などの発光素子及び受光素子の特性を特徴付ける物理量のことをいう。これらの物理量は、温度以外の要因によっても影響を受けるが、後述する湿度情報算出部や補償部、制御部によって、これらの物理量から必要な情報（湿度情報）を抽出できる。このため、これらの物理量を用いて、受光素子の出力信号の補償や発光素子の制御を行うことが可能となる。
以下、受光素子や発光素子の電気的特性及び光学的特性はそれぞれ、上述の物理量を意味する。

本実施形態に係る受発光装置における温度情報取得部は、後述の補償部及び湿度情報算出部に取得した温度情報を出力する。ここで、補償部に出力する「温度情報」と、湿度情報算出部に出力する「温度情報」は、それぞれ温度情報に関連する情報（データ）であればよく、必ずしも同じ情報の形式であることには限定されない。例えば同じ温度情報を元として、異なる補正式により補正された異なる温度情報を補償部及び湿度情報算出部にそれぞれ出力する場合にも、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。また、発光素子の順方向電圧降下を湿度情報算出部へ出力する温度情報とし、外部や同一の実装基板上の温度センサの出力を温度情報取得部が取得し、補償部へ出力する温度情報とすることも可能である。もちろん、受発光装置の外部や、同一の実装基板上に設置された温度センサの出力を温度情報取得部が取得し、共通の「温度情報」として補償部及び湿度情報算出部に出力することもできる。

本実施形態に係る発光装置における温度情報取得部、及び、本実施形態に係る受光装置における温度情報取得部にも同様のことが言える。また発光装置、受発光装置における制御部に対して、温度情報取得部から出力される温度情報についても、同様である。

＜湿度情報算出部＞
本実施形態に係る受光装置における湿度情報算出部は、温度情報と、受光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報とに基づいて湿度情報を算出する。これにより、受光装置は、モールド樹脂の吸湿−乾燥に伴う受光素子の特性変動を補償するための湿度情報を得ることが出来る。またこの場合、湿度情報は、受光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

本実施形態に係る発光装置における湿度情報算出部は、温度情報と、発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報とに基づいて湿度情報を算出する。これにより、発光装置は、モールド樹脂の吸湿−乾燥に伴う発光素子の特性変動を補償するための湿度情報を得ることが出来る。またこの場合、湿度情報は、発光素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

本実施形態に係る受発光装置における湿度情報算出部は、温度情報と、発光素子及び受光素子のそれぞれの電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報とに基づいて湿度情報を算出する。これにより、受発光装置は、モールド樹脂の吸湿−乾燥に伴う受光素子、発光素子の特性変動を補償するための、湿度情報を得ることが出来る。またこの場合、湿度情報は、受光素子及び発光素子の少なくとも一方の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置において、モールド樹脂部に少なくとも一部を封止された補助素子（詳細は後述する）をさらに備える場合には、湿度情報は、温度情報と、補助素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報とに基づいて算出されてもよい。この場合、湿度情報は、補助素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。

補助素子としては、例えばモールド樹脂部内に設けられたダイオード、抵抗体、あるいは受光素子や発光素子と同一の材料で形成されたダイオード及び抵抗体の少なくとも一方を用いることが出来る。
また湿度情報を算出するために用いられる受光素子、発光素子、或いは補助素子の電気的特性及び光学的特性は、湿度だけではなく温度によっても影響を受ける。従って、温度情報を元に、それらの温度依存性を除去することにより、湿度情報を算出することが可能となる。

前述のように、湿度情報算出部が算出する湿度情報は、湿度そのものに限定されず、湿度によるモールド樹脂部の吸湿に起因する膨潤応力に影響を受ける物理量である電気的特性や光学的特性に関する情報又はそれらの組合せで構わない。これらの物理量は、温度による影響を受けるが、後述される補償部や制御部は、これらの物理量から温度による影響を低減させ、湿度による影響度の大きい情報（湿度情報）を抽出できる。例えば、発光素子の内部抵抗を、温度情報を用いて補正することにより、温度依存性が無く、モールド樹脂の吸湿状態による内部抵抗の変化量、つまり湿度情報を得ることができる。この湿度情報により、受光素子の出力信号の補償や、発光素子の制御を行うことで、温度及び湿度による影響の補償された受光装置、発光装置及び受発光装置を構成することが可能となる。
なお、受光素子や発光素子の電気的特性及び光学的特性を温度情報として用いる場合には、湿度情報の算出に用いる電気的特性及び光学的特性とは異なるものを用いる必要がある。例えば、発光装置の場合、温度情報として発光素子の順方向電圧降下を用いる場合には、湿度情報の算出には発光素子の順方向電圧降下以外の物理量（例えば発光素子の内部抵抗や、発光素子の補助素子として設けたフォトダイオードの光電流等）を用いる必要がある。発光装置や受発光装置の場合も同様である。

＜モールド樹脂部＞
本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置において、モールド樹脂部は、受光素子の少なくとも一部及び発光素子の少なくとも一部を封止してもよい。あるいは、モールド樹脂部は、受光素子の少なくとも一部及び発光素子の少なくとも一部のいずれか一方を封止してもよい。モールド樹脂部の形成材料としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの樹脂モールド材料を用いることができる。その際、樹脂モールド材料は、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３といったフィラーを含んでも良い。またポリイミド、ポリアミド、シリコーン樹脂といった応力緩和層（バッファ層）を受光素子及び発光素子の少なくとも一方とモールド樹脂部との間に含んでもよい。

本実施形態の受発光装置において、モールド樹脂部は、受光素子の少なくとも一部を封止する受光側封止領域と、発光素子の少なくとも一部を封止する発光側封止領域と、を有していてもよい。またこの場合、受光側封止領域と発光側封止領域とは空間的に接していてもよい。

＜補償部＞
本実施形態に係る受光装置、受発光装置において、補償部は、温度情報及び湿度情報に基づいて、受光素子の出力信号を補償することが可能であれば特に制限されない。補償部は例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及び中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）等が好適である。

温度情報取得部及び湿度情報算出部から取得される温度情報及び湿度情報は、温度や湿
度の値そのものには限定されず、温度や湿度の影響を受けて特性が変化する電気抵抗値や
光電流値などの物理量から演算される情報も含まれる。またこの補償部は、あらかじめ温度の影響や湿度の影響を校正したデータを保存した記憶領域を有していてもよく、また発光素子を制御するための機能を発揮してもよい。

＜制御部＞
本実施形態に係る発光装置及び受発光装置において、制御部は温度情報及び湿度情報に基づいて発光素子を制御することが可能であれば特に制限されず、例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及びＣＰＵ等を含む駆動回路が好適である。

発光素子がＬＥＤである場合において制御部は、例えば発光素子の入力電流値、通電時間及び非通電時間の少なくとも１つを制御できてもよい。

温度情報取得部及び湿度情報算出部から取得される温度情報及び湿度情報は、温度や湿度の値そのものには限定されず、温度や湿度の影響を受けて特性が変化する電気抵抗値や光電流値などの物理量から演算される情報も含まれる。この発光素子の制御部は、あらかじめ温度の影響や湿度の影響を校正したデータを保存した記憶領域を有していてもよく、また受光素子の出力信号を補償するための機能を発揮してもよい。

＜補助素子＞
本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置は、モールド樹脂部に少なくとも一部を封止された補助素子をさらに備え、温度情報及び湿度情報の少なくとも一方は、補助素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方に関する情報を含んでいてもよい。補助素子としては、例えばモールド樹脂部内に設けられたダイオード、抵抗体、あるいは受光素子や発光素子と同一の材料から成る、ダイオード、抵抗体を用いることが出来る。この場合、補助素子は受光素子と同一の基板上に形成されていてもよい。またこの場合、補助素子は、基板上に複数配置されていてもよい。複数の補助素子は、並列、直列又は直並列に接続されていてもよく、ホイートストンブリッジを形成していてもよい。

特に補助素子と受光素子又は発光素子とが同一の基板上に設けられると、基板を介した熱伝導によって受光素子又は発光素子と補助素子との温度を熱平衡に近づけることができる。

本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置においては、一般に異なる材料が近接することを避けることは困難であるため、熱膨張率差による熱応力と、湿度による封止部の吸湿に起因する膨潤応力の影響は、受光素子や発光素子が設けられた基板の位置（基板の部位）により異なる。この場合、更に補助素子を同一基板上の複数の位置に複数設け、複数の補助素子のそれぞれの電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方を測定し、複数の補助素子間の温度や熱応力及び湿潤応力の少なくとも一方による特性変化を比較したり評価したりすることにより、温度情報及び湿度情報の少なくとも一方を取得することが可能となる。具体的には、乾燥状態における補助素子の電気的特性及び光学的特性の少なくとも一方の温度依存性を取得し、次いで湿度環境下において同様の特性を取得することにより、温度情報と湿度情報を抽出するための、補正パラメータを抽出することが可能となる。

ここで同一の基板上とは、プリント配線基板（実装基板）上に受光素子、発光素子、補助素子が実装され、封止されているような場合には、同様に封止される同プリント配線基板の上を指す。あるいは受光素子、発光素子、補助素子がシリコン（Ｓｉ）基板、あるいはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、ガラス基板などの基板上に形成されている場合には、同様に封止される該基板の上を指す。受光素子及び発光素子がＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含むダイオード構造を有する場合には、補助素子は、同一のダイオード構造を有してもよく、又はＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含む抵抗体であってもよい。

本実施形態の受光装置、発光装置及び受発光装置において補助素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有していてもよく、又は抵抗体であってもよい。

次に、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の第１実施形態に係る受光装置を説明するための構成図である。図１に示すように、第１実施形態の受光装置２は、基板２６と、基板２６上に形成された受光素子２１及び補助素子２７と、受光素子２１、補助素子２７及び基板２６の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部２２と、温度情報取得部２３と、湿度情報算出部２４と、温度情報取得部２３から得られる温度情報ＴＩ及び湿度情報算出部２４から得られる湿度情報ＨＩに基づいて受光素子２１からの出力信号ＳＯを補償する補償部２５とを備えている。

［実施形態２］
図２は、本発明の第２実施形態に係る発光装置を説明するための構成図である。図２に示すように、第２実施形態に係る発光装置４は、基板４６と、基板４６上に形成された発光素子４８及び補助素子４７と、発光素子４８、補助素子４７及び基板４６の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部４２と、温度情報取得部４３と、湿度情報算出部４４と、温度情報取得部４３から取得される温度情報ＴＩ及び湿度情報算出部４４から取得される湿度情報ＨＩに基づいて発光素子４８を制御する制御信号ＳＣを出力する制御部４９とを備えている。

［実施形態３］
図３は、本発明の第３実施形態に係る受発光装置を説明するための構成図である。図３に示すように、第３実施形態に係る受発光装置５は、受光側基板５６１と、受光側基板５６１上に形成された受光素子５１及び受光側補助素子５７１と、受光素子５１、受光側補助素子５７１及び受光側基板５６１の少なくとも一部を封止する受光側封止領域５２１と、発光側基板５６２と、発光側基板５６２上に形成された発光素子５８と、発光側補助素子５７２と、発光素子５８、発光側補助素子５７２及び発光側基板５６２の少なくとも一部を封止する発光側封止領域５２２と、温度情報取得部５３と、湿度情報算出部５４と、温度情報取得部５３から取得された温度情報ＴＩ及び湿度情報算出部５４から取得された湿度情報ＨＩに基づいて受光素子５１の出力信号ＳＯを補償する補償部５５と、温度情報ＴＩ及び湿度情報ＨＩに基づいて発光素子５８を制御する制御信号ＳＣを出力する制御部５９とを備えている。なお、受発光装置５は、受光側封止領域５２１と発光側封止領域５２２とを有するモールド樹脂部５２を備えている。受光側封止領域５２１と発光側封止領域５２２とは、空間的に分離されて設けられている。

ここで、本発明における温度及び湿度による影響の補償方法の一例について、第３実施形態に係る受発光装置５をガス濃度測定装置に適応した例を用いて説明する。具体的には、第３実施形態に係る受発光装置５をガスセル内に設置した形態を想定する。ここでガスセルは、検出対象であるガスが、外部環境との拡散等により流入可能であり、発光素子から放出された光を、内部の鏡面部等を利用して反射、又は集光することにより、受光素子へ導く光学経路を有する構造物である。ガスセル内を伝搬する光は、伝搬距離及びガス濃度に応じてガスに吸収され、受光素子に到達する光量が減衰する。そこで、ガスセル内を伝搬する光の光量の変化量を測定及び評価することによりガス濃度が測定される。第３実施形態に係る受発光装置５の構成を有するガス濃度測定装置は、一例として以下に示す操作によりガス濃度算出式を求めることができる。

温度情報取得部から得られる温度情報Ｔには、例えば受発光装置に付随する温度センサから得られる温度が用いられる。この温度情報Ｔを元に、例えば検出対象のガスが無く、湿度０％の乾燥状態における受光素子の出力の温度依存性を測定することにより、出力の温度依存性を補正する補正量ｈ（Ｔ）を求めるための補正式が得られる。この補正式は、式（１）のように表すことができる。

続いて温度情報Ｔ、及び発光素子の内部抵抗ｒ（Ｈ，Ｔ）を元に、例えば検出対象のガスが無く、湿度０％の乾燥状態における内部抵抗の温度依存性を測定することで、内部抵抗の温度依存性を補正する補正量ｆ（Ｈ）を求めるための補正式が得られる。この補正式は式（２）のように表すことができる。

この補正量ｆ（Ｈ）は、温度及び湿度により変化する発光素子の内部抵抗から、温度依存性を除去した量であり、湿度により変動する湿度情報（以下、この湿度情報の符号にも「ｆ（Ｈ）」を用いる）として用いられる。或いは式（２）に示す湿度情報ｆ（Ｈ）を元に多項式を構成し、式（３）に示すように、改めて湿度情報ｆ２（Ｈ）として使用しても良い。温度情報取得部から得られる温度情報ＴＩが、図３中に示す温度情報ＴＩに相当し、湿度情報ｆ（Ｈ）及び湿度情報ｆ２（Ｈ）は、図３中に示す湿度情報ＨＩに相当する。

続いて温度情報取得部から得られる温度情報ＴＩより得られる補正量ｈ（Ｔ）及び、湿度情報算出部から得られる湿度情報ｆ（Ｈ）を元に受光素子の出力信号Ｉ_ｏｕｔを以下のように補正することで、温度及び湿度による影響の補正された出力信号、つまりガス濃度ｃを算出することが出来る。

ここで式（１）中の定数Ａ１，Ｂ１，Ｃ１、式（２）中の定数Ｄ１，Ｅ１，Ｆ１、式（３）中の定数Ｄ２，Ｅ２，Ｆ２、式（４）中の定数Ｊ，Ｋ，Ｌは温度依存性、及び湿度依存性を除去するためにフィッティングによりあらかじめ取得する補正係数である。特に定数Ｊ、Ｋ、Ｌについては、測定対象のガス濃度を変えて出力信号を測定することにより、誤差の最小となる係数を導出する。これらの定数、補正式を用いることで、各温度、各湿度状態における受光素子の出力信号Ｉ_ｏｕｔ及び発光素子の内部抵抗ｒを元に、温度依存性及び湿度依存性の補正されたガス濃度ｃを算出することが可能となる。

以上の過程により、受光素子の出力信号を、温度情報及び湿度情報を元に補正することによって、従来のガス濃度測定装置と比較し高精度なガス濃度測定装置を実現することが可能となる。

第３実施形態においては、温度情報取得部からの出力による受光素子の出力信号の補正は２次式により、温度情報及び発光素子の内部抵抗を元に湿度情報を算出する補償は２次式により、またまた最終的なガス濃度を演算するための、受光素子５１の出力信号の補償は２次式により補償を行っているが、これは一例であり、本発明の技術的範囲は上記に限定されない。

別の方法として、１次式の代わりに２次式、２次式の変わりに３次式等により、補償の次数を増やすことにより、ガス濃度の測定精度を向上させることができる。また多項式の逆数や、指数関数、対数関数を用いることもできる。一方で補償の次数が増えると、或いは補償の関数が複雑になると、校正曲線を得るのに必要な測定点（温度、湿度、ガス濃度）が増えることから、補償の次数や補償の関数は、必要な精度と製造コストの兼ね合いで適宜決定され得る。また温度情報が湿度情報を含む場合であっても、湿度情報算出部と異なる電気的特性及び光学的特性を用いることによって、補償部において湿度依存性を除去するように補正式を構成することで、温度及び湿度の影響の補正された信号を得ることが出来る。

［実施形態４］
本発明の第４実施形態に係る受発光装置は、上述した第３実施形態において、発光素子５８が中赤外ＬＥＤである受発光装置である。

［実施形態５］
本発明の第５実施形態に係る受発光装置は、上述した第３実施形態又は第４実施形態において、受光素子５１と受光側補助素子５７１が同一の薄膜構造を有する受発光装置である。ここで薄膜構造はＰ型半導体層、Ｉ型半導体層（アンドープ層）、Ｎ型半導体層を積層させたＰＩＮダイオード構造である。受光素子５１と受光側補助素子５７１が同一の薄膜構造であることにより、温度変化による特性変動の補償が容易になったり製造工程が短縮したりする、といった利点がある。

［実施形態６］
本発明の第６実施形態に係る受発光装置は、上述した第４又は第５実施形態において、受光素子５１を封止する受光側封止領域５２１と、発光素子５８を封止する発光側封止領域５２２とが空間的に接している（受光側封止領域５２１及び発光側封止領域５２２が１つの封止材で形成されている）ことを特徴とする。つまり、第６実施形態に係る受発光装置は、空間的に接している受光側封止領域５２１及び発光側封止領域５２２を有するモールド樹脂部５２を備えている点に特徴を有している。第６実施形態に係る受発光装置は、受光素子５１及び発光素子５８を同一工程で封止することが可能となり、製造工程を短縮できる、といった利点がある。

［実施形態７］
本発明の第７実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置は、上述した第１から第６実施形態において、受光素子、発光素子及び補償素子をＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＩｎＳｂ層で形成された活性層（Ｉ層）を有するＰＩＮダイオード構造とした点に特徴を有している。ここで、活性層におけるアルミニウム（Ａｌ）の組成比は０〜２０％であり、活性層の上下にキャリア（電子、及びホール）をブロックするためのバリア層を形成しても良い。更に活性層の上下にはキャリアを供給するためのＰ層及びＮ層が形成される。Ａｌ組成を２〜５％とした場合、本材料は、炭酸ガスの赤外吸収波長である４．３μｍに相当する光を吸収し、或いは光を放出することが可能なため、受光素子及び発光素子として好適である。或いはＡｌ組成を８〜１０％とした場合、本材料はメタンを始めとした炭化水素ガスの赤外吸収波長である３．３μｍに相当する光を吸収し、或いは光を放出することが可能なため、受光素子及び発光素子として好適である。
［実施形態８］
本発明の第８実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置は、上述した第１から第６実施形態において、受光素子、発光素子及び補償素子をＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＩｎＡｓＳｂ層で形成された活性層（Ｉ層）を有するＰＩＮダイオード構造とした点に特徴を有している。ここで、活性層におけるＡｌ組成を０〜５％、Ｓｂ組成を０〜５％とすることで水（２．７μｍ）、或いはメタン（３．３μｍ）を検出するのに好適となり、Ｓｂ組成を１０〜１３％まで増加させることにより、炭酸ガス（４．３μｍ）を検出するのに好適となる。

次に、本実施形態の実施例に係る受光装置、発光装置及び受発光装置を説明する。以下の実施例は、本実施形態の受発光装置を炭酸ガス濃度測定装置に適用した場合の例である。

封止部に封止された発光素子（中赤外ＬＥＤ光源）と、この発光素子と同一の薄膜構造を有し、同一基板上に形成された温度測定に用いる補助素子としての量子型赤外線センサと、受光素子としての量子型赤外線センサとを、内部に高い反射率の球面を有するドーム型ガスセル中に配置した。受光素子としての量子型赤外線センサは、発光素子と同一の薄膜構造を有する。

温度情報取得部には発光素子の補助素子を接続し、温度情報として補助素子の出力する光電流を利用する構成とし、また湿度情報算出部に対しては発光素子を接続し、湿度情報として発光素子の内部抵抗を利用する構成とした。ここで、発光素子と補助素子は同一のモールド樹脂部内に封止されており、発光素子の内部抵抗の代わりに補助素子の内部抵抗の値を湿度情報算出部へ接続する構成へも変形可能である。

次いで、第１の炭酸ガス濃度として４００ｐｐｍ、第２の炭酸ガス濃度として１０００ｐｐｍ、第３の炭酸ガス濃度として２０００ｐｐｍの炭酸ガスを選択し、各実施形態に記載の低温を１０℃、中温度を２５℃、高温を４０℃として、各実施形態に基づいてガス濃度算出式を導き、得られた式を利用して、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて、温度１０、２５℃、４０℃での乾燥環境下（封止部の吸湿度０％に対応）におけるガス濃度算出、及び温度２５℃での高湿度環境下（封止部の吸湿度１００％に対応）におけるガス濃度算出を試みた。

図４は、本実施例における炭酸ガスの実濃度と、炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。図４において、横軸は炭酸ガス実濃度を表し、縦軸は炭酸ガス濃度算出値を表している。図４中に示す、□印は１０℃かつ乾燥環境下での特性を示し、◇印は２５℃かつ乾燥環境下での特性を示し、○印は２５℃かつ高湿度環境下での特性を示し、△印は４０℃かつ乾燥環境下での特性を示している。

＜比較例＞
本比較例における炭酸ガス濃度測定装置は、モールド樹脂部に封止された発光素子（中赤外ＬＥＤ光源）と、この発光素子と同一の薄膜構造を有する、受光素子としての量子型赤外線センサとを、内部に高い反射率の球面を有するドーム型ガスセル中に配置された。本実施例に係る炭酸ガス濃度測定装置との差異としては、本比較例における炭酸ガス濃度測定装置は湿度情報算出部を備えていない点である。

次に、従来の一般的なガス濃度算出式である以下のランバートベールの式（５）より、温度２５℃、乾燥環境下、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍと２０００ｐｐｍにおける受光素子の出力と、炭酸ガス濃度の関係を以下のランバートベールの式（５）でフィッティングすることで定数Ａ２およびＢ２を求めた。

式（５）中に示す、「ｃ」は炭酸ガス濃度を表し、「Ｉ_ｒｅｆ」は温度情報取得部の出力を表し、「Ｉ_ｏｕｔ」は受光素子の出力を表している。また「Ａ２」および「Ｂ２」は、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍと１０００ｐｐｍにおける、本比較例における炭酸ガス濃度測定装置の受光素子の出力と、温度情報取得部の出力と炭酸ガス濃度との関係から求まる定数を表している。

このように得られた濃度算出式を利用して、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて、温度１０、２５℃、４０℃での乾燥環境下（封止部の吸湿度０％に対応）におけるガス濃度算出、及び温度２５℃での高湿度環境下（封止部の吸湿度１００％に対応）におけるガス濃度算出を試みた。

図５は、比較例における炭酸ガス実濃度と炭酸ガス濃度算出値の関係を示す図である。図５において、横軸は炭酸ガス実濃度を表し、縦軸は炭酸ガス濃度算出値を表している。図５中に示す、□印は１０℃かつ乾燥環境下での特性を示し、◇印は２５℃かつ乾燥環境下での特性を示し、○印は２５℃かつ高湿度環境下での特性を示し、△印は４０℃かつ乾燥環境下での特性を示している。

図４に示すように、本実施例により求めたガス濃度算出式を用いた場合、炭酸ガス濃度算出値は、実炭酸ガス濃度に対し、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍにおいて６４ｐｐｍ、１０００ｐｐｍにおいて０ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて１４３ｐｐｍの誤差に収まった。

一方、図５に示すように、比較例により求めたガス濃度算出式を用いた場合、炭酸ガス濃度算出値は、実炭酸ガス濃度に対し、炭酸ガス濃度４００ｐｐｍにおいて１４６９ｐｐｍ、１０００ｐｐｍにおいて１４７３ｐｐｍ、２０００ｐｐｍにおいて１３１２ｐｐｍの誤差が生じた。

以上の結果より、本実施形態に係る受光装置、発光装置及び受発光装置によれば、温度、湿度による影響の補償が可能となり、一例としてガス濃度測定装置に用いた場合には、従来のガス濃度測定装置よりも高精度な濃度算出が可能であることが理解される。

以上説明したように、本実施形態によれば、温度及び湿度の少なくとも一方による影響の補償された高精度の受光装置、発光装置及び受発光装置を実現することができる。

本実施形態による受光装置によれば、例えば安価なパッケージ技術であるモールド樹脂により封止された受光素子を用いた際に、温度及び湿度による影響を補償できるので、高精度化を図ることができる。また、本実施形態による発光装置によれば、例えば安価なパッケージ技術であるモールド樹脂により封止された発光素子を用いた際に、温度及び湿度による影響を補償できるので、高精度化を図ることができる。さらに、本実施形態による受発光装置によれば、例えば安価なパッケージ技術であるモールド樹脂により封止された受光素子及び発光素子を用いた際に、温度及び湿度による影響を補償できるので、高精度化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

２ 受光装置
４ 発光装置
５ 受発光装置
２１，５１ 受光素子
２２，４２，５２ モールド樹脂部
２３，４３，５３ 温度情報取得部
２４，４４，５４ 湿度情報算出部
２５，５５ 補償部
２６，４６ 基板
２７，４７ 補助素子
４８，５８ 発光素子
４９，５９ 制御部
５２１ 受光側封止領域
５２２ 発光側封止領域
５６１ 受光側基板
５６２ 発光側基板
５７１ 受光側補助素子
５７２ 発光側補助素子

Claims (16)

1. 外部から入射する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた出力信号を出力する受光素子と、
   前記受光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、
   前記受光素子の温度または前記モールド樹脂部の温度に関する温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記受光素子の電気的特性に関する情報と、前記温度情報とに基づいて、前記モールド樹脂部の湿度に関する情報を含む湿度情報を算出する湿度情報算出部と、
   前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて、前記モールド樹脂部の吸湿及び乾燥の少なくとも一方による前記出力信号の変動の影響を補償する補償部と、
   を備える受光装置。
2. 前記モールド樹脂部に少なくとも一部を封止された補助素子をさらに備え、
   前記温度情報及び前記湿度情報の少なくとも一方は、前記補助素子の電気的特性に関する情報を含む
   請求項１に記載の受光装置。
3. 前記補助素子は前記受光素子と同一の基板上に形成されている
   請求項２に記載の受光装置。
4. 前記受光素子及び前記補助素子の少なくとも一方は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層と
   Ｎ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有する、又は抵抗体である
   請求項２又は３に記載の受光装置。
5. 発光素子と、
   前記発光素子が出力する光の少なくとも一部を受光し、受光量に応じた出力信号を出力する受光素子と、
   前記受光素子の少なくとも一部を封止するモールド樹脂部と、
   前記受光素子の温度、前記発光素子の温度及び前記モールド樹脂部の温度のうちの少なくとも１つに関する情報を含む温度情報を取得する温度情報取得部と、
   前記受光素子の電気的特性に関する情報と、前記温度情報とに基づいて、前記モールド樹脂部の湿度に関する情報を含む湿度情報を算出する湿度情報算出部と、
   前記温度情報及び前記湿度情報に基づいて、前記モールド樹脂部の吸湿及び乾燥の少なくとも一方による前記出力信号の変動の影響を補償するように前記発光素子を制御する制御部と、
   を備える受発光装置。
6. 前記温度情報は、前記受光素子及び前記発光素子の少なくとも一方の電気的特性に関する情報を含む
   請求項５に記載の受発光装置。
7. 前記モールド樹脂部は、
   前記受光素子の少なくとも一部を封止する受光側封止領域と、
   前記発光素子の少なくとも一部を封止する発光側封止領域と、
   を有する
   請求項５又は６に記載の受発光装置。
8. 前記受光側封止領域と前記発光側封止領域とは空間的に接している
   請求項７に記載の受発光装置。
9. 前記受光側封止領域に少なくとも一部を封止された受光側補助素子をさらに備え、
   前記温度情報及び前記湿度情報の少なくとも一方は、前記受光側補助素子の電気的特性に関する情報を含む
   請求項７又は８に記載の受発光装置。
10. 前記受光側補助素子は、前記受光素子と同一の受光側基板上に形成されている
    請求項９に記載の受発光装置。
11. 前記受光側補助素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有する、又は抵抗体である
    請求項９又は１０に記載の受発光装置。
12. 前記発光側封止領域に少なくとも一部を封止された発光側補助素子をさらに備え、
    前記温度情報及び前記湿度情報の少なくとも一方は、前記発光側補助素子の電気的特性に関する情報を含む
    請求項７から１１までのいずれか一項に記載の受発光装置。
13. 前記発光側補助素子は、前記発光素子と同一の発光側基板上に配置されている
    請求項１２に記載の受発光装置。
14. 前記発光側補助素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有する、又は抵抗体である
    請求項１２又は１３に記載の受発光装置。
15. 前記受光素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有する、又は抵抗体である
    請求項５から１４までのいずれか一項に記載の受発光装置。
16. 前記発光素子は、インジウムを含み、ヒ素及びアンチモンの少なくとも一方を含み、Ｐ型半導体層と
    Ｎ型半導体層を少なくとも有するダイオード構造を有する
    請求項５から１５までのいずれか一項に記載の受発光装置。

Images